WebAssembly多返回值怎么实现？

WebAssembly的多返回值特性通过允许函数直接返回多个计算结果，显著提升了性能和API的直观性。本文深入解析了WebAssembly Multi-Value的实现方法，以Rust为例，展示了如何通过元组返回并结合wasm-bindgen生成多值函数签名，以及JavaScript如何解构数组接收这些返回值。相较于传统的内存分配或全局变量方案，多值返回减少了数据拷贝和交互开销，尤其适用于基本类型组合的场景。然而，C/C++由于语言限制，仍多依赖内存传递，需工具链支持才能原生利用该特性。本文还探讨了多值返回在性能和架构上的考量，强调了其在简化API设计、优化性能关键路径上的作用，并展望了WebAssembly向更现代编程体验的演进。

利用WebAssembly Multi-Value特性可直接返回多个值，提升效率与API直观性。1. 在Rust中通过元组返回并结合wasm-bindgen生成多值函数签名；2. 编译为Wasm后，函数在wat格式中显示(result i32 i32)等多结果声明；3. JavaScript通过解构数组接收多个返回值；4. 相比内存分配或全局变量方案，减少数据拷贝与交互开销；5. C/C++因语言限制仍多依赖内存传递，需工具链支持才能原生利用Multi-Value；6. 适用于基本类型组合返回，复杂结构仍需内存交换。该特性优化了性能关键路径，简化接口设计，推动Wasm向现代编程体验演进。

WebAssembly的Multi-Value提案，简单来说，就是让Wasm函数能够像许多现代编程语言那样，一次性返回多个计算结果，而不是只能返回一个。这在以前是个痛点，你可能得把多个结果打包成一个结构体，或者通过共享内存、全局变量来传递，而现在，它能直接、原生支持了。这不仅仅是语法上的便利，更是一种底层效率的提升，让Wasm模块与宿主环境（比如JavaScript）的交互变得更直接、更符合直觉。

直接输出解决方案即可

要利用WebAssembly Multi-Value返回多个结果，核心在于编译时确保你的源语言（如Rust）能够生成带有Multi-Value签名的Wasm函数。在JavaScript宿主环境中调用时，Wasm引擎会自动将这些结果作为一个数组或类似结构返回给你。

举个Rust的例子，这是目前对Multi-Value支持最友好的语言之一，特别是结合wasm-bindgen：

首先，在Cargo.toml中确保你启用了multi-value特性（通常wasm-bindgen会自动处理，但明确一下更好）：

[lib]
crate-type = ["cdylib"]

[dependencies]
wasm-bindgen = "0.2"

然后，在你的Rust代码中，定义一个返回元组的函数：

use wasm_bindgen::prelude::*;

#[wasm_bindgen]
pub fn calculate_multiple_values(a: i32, b: i32) -> (i32, i32) {
    let sum = a + b;
    let product = a * b;
    (sum, product) // Rust元组直接映射到Wasm Multi-Value
}

编译这个Rust代码到Wasm：

wasm-pack build --target web

这会生成一个pkg目录，里面包含calculate_multiple_values_bg.wasm和相应的JavaScript胶水代码。

在JavaScript中调用：

import { calculate_multiple_values } from './pkg/your_crate_name.js';

// 调用Wasm函数
const [sumResult, productResult] = calculate_multiple_values(10, 5);

console.log(`Sum: ${sumResult}`);      // 输出: Sum: 15
console.log(`Product: ${productResult}`); // 输出: Product: 50

可以看到，JavaScript直接通过解构赋值获取了两个返回值，这得益于Wasm引擎对Multi-Value的支持以及wasm-bindgen的巧妙封装。

如果你想看Wasm的底层表示，可以使用wasm-objdump -x your_crate_name_bg.wasm或者将Wasm文件反编译成wat文本格式：

wasm2wat your_crate_name_bg.wasm -o output.wat

在output.wat中，你会看到类似这样的函数签名：

(func $calculate_multiple_values (type 0) (param i32 i32) (result i32 i32)
  ;; ... 函数体 ...
)

注意这里的(result i32 i32)，这正是Multi-Value的体现，它明确声明了函数会返回两个i32类型的值。

为什么WebAssembly原生支持多值返回如此重要？

我个人觉得，WebAssembly原生支持多值返回，绝不仅仅是锦上添花，它解决了过去一些让人头疼的实际问题，带来了更优雅的编程体验和潜在的性能优化。以前，如果你需要从Wasm模块返回多个结果，通常有几种做法：

一种是返回一个结构体。这意味着你需要在Wasm模块的内存中分配空间，将结果填充进去，然后将结构体的指针返回给JavaScript。JavaScript端再通过这个指针去读取内存中的数据。这个过程不仅涉及内存管理（分配、释放），还有数据序列化和反序列化的开销，尤其是在数据量大或者调用频繁时，这些开销会变得很显著。而且，这种方式让Wasm和JavaScript的接口变得不那么直观，需要额外的胶水代码来处理内存交互。

另一种是使用全局变量。Wasm模块可以定义全局变量，函数执行后将结果存入全局变量，JavaScript再读取这些全局变量。但这种方式很快就会让代码变得难以维护，全局状态的管理本身就是复杂性的来源，容易引入副作用，并且不适合并发或多实例场景。

还有一种是多次调用函数，每次返回一个结果。但这显然效率低下，增加了函数调用的开销。

Multi-Value的出现，直接在Wasm的指令集层面解决了这个问题。它允许函数直接将多个结果推到操作数栈上，然后由调用者一次性取出。这省去了内存分配、数据复制的环节，减少了JavaScript和Wasm之间的数据往返开销，使得接口设计更简洁、更自然。对我来说，这就像是Wasm在向现代语言的舒适度看齐，让开发者能更专注于业务逻辑，而不是底层的数据传递细节。从性能角度看，减少内存交互和数据拷贝，无疑对密集计算场景有积极影响。

如何在不同语言（如Rust、C/C++）中利用WebAssembly Multi-Value特性？

利用WebAssembly Multi-Value特性，不同源语言的实现方式确实有所差异，这主要取决于语言本身的特性以及其Wasm编译器的支持程度。

Rust： 正如前面示例所示，Rust是目前对Wasm Multi-Value支持最好的语言之一，这主要得益于wasm-bindgen这个工具。当Rust函数返回一个元组（例如 (i32, i32)）时，wasm-bindgen会自动识别这种情况，并生成符合Wasm Multi-Value规范的函数签名。它不仅处理了Wasm模块内部的实现，还生成了JavaScript胶水代码，使得JavaScript可以直接以数组解构的方式接收这些值。这种集成度非常高，开发者几乎不需要关心底层Wasm的细节，就能享受到Multi-Value带来的便利。这体现了Rust生态在Wasm领域的前瞻性和工程实践的成熟。

C/C++： C/C++的情况则相对复杂一些。C/C++语言本身并没有“返回多个值”的语法结构，通常是通过以下几种方式模拟：

1. 返回结构体（Struct）：这是最常见的方式。C/C++函数返回一个包含多个字段的结构体。当Emscripten等工具链将C/C++代码编译成Wasm时，通常会把这个结构体放在Wasm内存中，然后返回一个指向该结构体在Wasm内存中地址的指针。JavaScript端再通过这个指针去读取结构体成员。这本质上回到了Multi-Value出现之前的“通过内存传递”的模式，没有直接利用Wasm的Multi-Value特性。
2. 通过指针参数传递结果：函数接受指向输出变量的指针作为参数，将结果写入这些指针指向的内存位置。这同样是内存交互，而非原生Multi-Value。

要让C/C++代码直接利用Wasm Multi-Value，通常需要更深层次的编译器支持，或者直接编写Wasm文本格式（.wat）来创建带有Multi-Value签名的函数。例如，理论上一个C/C++编译器可以提供特殊的扩展或属性，指示函数应返回多个Wasm值，但这不是标准C/C++的一部分。实际操作中，如果真的需要C/C++生成Multi-Value函数，可能需要：

• 编译器特定扩展：某些实验性编译器或特定工具链可能会提供这样的功能，但通常不具备通用性。
• 手工编写Wasm或使用高级工具：开发者可以手动编写Wasm文本格式（.wat）来定义一个返回多个值的函数，然后将C/C++代码编译成Wasm模块，再通过Wasm的链接机制调用这个手工定义的函数。这显然增加了开发复杂性。
• Emscripten的未来发展：随着Wasm Multi-Value提案的普及，Emscripten等工具链未来可能会探索如何将C/C++的某些特定模式（如返回小型聚合类型）优化为Wasm Multi-Value，但目前这并非其主流行为。

总的来说，对于C/C++，目前更常见的做法仍然是围绕内存进行数据交换，而非直接利用Wasm Multi-Value的语法糖。这突显了语言设计和工具链成熟度对Wasm特性利用的影响。

在实际应用中，多值返回会带来哪些性能或架构上的考量？

在实际应用中，WebAssembly的多值返回特性，确实会在性能和架构层面带来一些值得深思的考量，它并非万能，但无疑是解决特定问题的一把利器。

性能考量：

1. 减少内存交互开销： 这是最直接的性能优势。在没有Multi-Value之前，返回多个结果通常意味着需要分配一块内存（比如一个结构体），将结果写入，然后将内存地址返回给宿主环境。宿主环境再根据地址去读取数据。这个过程涉及内存分配、数据拷贝以及宿主环境与Wasm内存之间的边界开销。Multi-Value直接将结果推到Wasm的评估栈上，然后由宿主环境直接获取，省去了中间的内存操作，对于频繁调用的函数，这种优化累积起来是相当可观的。
2. 更高效的寄存器/栈使用： Wasm引擎在执行时，可以更直接地处理这些返回结果，理论上可以更好地利用底层CPU的寄存器，减少对主内存的依赖。这有助于提高指令执行效率。
3. 数据类型限制： 需要注意的是，Multi-Value返回的仍然是Wasm的基本数值类型（i32, i64, f32, f64）。如果你需要返回复杂的对象、字符串或大型数组，你仍然需要通过Wasm内存进行传递，或者通过Wasm的引用类型（如externref）间接传递。在这种情况下，Multi-Value的性能优势就没那么明显了，因为主要的开销会转移到复杂数据的序列化和反序列化上。

架构考量：

1. API设计简化： Multi-Value让Wasm模块的API设计变得更加简洁和直观。函数签名可以直接表达其返回的多个逻辑结果，而不是返回一个包含所有结果的“黑盒”指针。这使得Wasm模块与JavaScript宿主环境的接口更加清晰，减少了胶水代码的复杂性。
2. 更强的表达力： 模块的函数能够更自然地表达其意图，例如一个函数计算并返回一个点的x和y坐标，或者一个操作的结果状态码和实际数据。这种表达力上的提升，让代码更易读、易维护。
3. 兼容性与工具链支持： 虽然Multi-Value提案已经稳定并被主流浏览器支持，但在不同的Wasm工具链（如Emscripten、TinyGo、AssemblyScript等）中，对其支持的程度和方式有所不同。在设计Wasm模块时，需要考虑所选工具链是否能有效地利用Multi-Value，以及如何在不同语言之间实现最佳实践。例如，Rust的wasm-bindgen在这方面做得非常好，而C/C++则可能需要更多的手动干预或等待工具链的进一步发展。
4. 调试复杂性： 虽然接口简化了，但在调试时，如果Wasm函数返回了多个值，理解这些值的顺序和含义可能需要更仔细地查阅函数签名。不过，现代浏览器开发者工具对Wasm的调试能力正在不断增强，这方面的挑战正在逐渐减小。

总的来说，Multi-Value是Wasm生态系统走向成熟的重要一步。它让Wasm函数能够更自然、更高效地与宿主环境进行数据交换，特别适用于返回少量基本类型结果的场景。在设计Wasm模块时，我们应该积极考虑利用这一特性来简化API和提升性能，但也要清醒地认识到其局限性，对于复杂数据结构，仍然需要结合Wasm内存和其他机制来处理。

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